Uso de BESS para apoyar la estabilidad y control de sistemas de potencia
Dr. Gustavo Valverde Mora
[email protected]
Componentes de BESS
Al tener inversor dedicado (caso (a)) se logra mayor control del paquete de baterías y hay ventajas desde el punto de vista de confiabilidad.
Arquitecturas típicas de BESS
Arquitecturas típicas de BESS
BESS de 10 MW de potencia.
Ejemplo: Arquitectura de BESS
Generalidades de Baterías
Li+ es un ión de Litio (carga positiva)
Ánodo Cátodo
Electrolito (LiPF6)
Movimiento de Li+ entre ánodo y cátodo por C/D.
Para mantener el balance de cargas, el mismo
número de electrones debe ser transferido al
circuito externo durante la carga y descarga (C/D).
Diferentes tipos de baterías por material usado en el cátodo.
Material de carbono o grafito Óxido metálico o sulfuro
Baterías Ion de Litio
Para aplicaciones de gran escala.
El electrodo es líquido y el electrolito sólido.
Operan a temps. de 300°- 350° C. Vida útil de 15
años (4500 ciclos)
No tiene autodescarga y presenta buena eficiencia (~ 80%). Bajos C-rates.
Baterías de Sodio-Sulfuro
Sodio Electrolito sólido Azufre
(𝛽 alúmina)
El sodio es un material inflamable en contacto con el aire.
Baterías de Flujo Redox
Batería basada en procesos de reducción y oxidación.
Se hacen circular electrolitos positivos y negativos a base de iones de Vanadio para la carga y descarga.
El intercambio de iones se da en la membrana, la cual intenta prevenir la mezcla de electrolitos.
Actualmente costo es mayor que baterías Ion de Li.
La capacidad de la batería depende del tamaño de los tanques. Para incrementar potencia se aumenta el tamaño de las pilas (entre electrodos).
𝑉𝑂2+, 𝑉𝑂2+ 𝑉3+, 𝑉2+
Baterías de Níquel - Cadmio
Ánodo (Cd) Cátodo
(NiO-OH)
Electrolito (KOH.H20)
carga descarga
Tiene buenas propiedades en
términos de eficiencia, capacidad y potencia específica. Usado en equipos electrónicos.
El proceso de fabricación es costoso. Además, el Cd es un metal altamente tóxico y su
disposición final es un problema socio-ambiental.
Su aplicación en proyectos de
almacenamiento de gran escala
es bajo comparado con Ion de Li.
Baterías Ácido Plomo
Tiene una placa positiva de dióxido de Plomo
(PbO2), una negativa de Plomo (Pb) y un electrolito de ácido sulfúrico y agua.
Características: bajo costo, es seguro y confiable para aplicaciones de varios
MW. Es una tecnología de más de 150 años.
descarga
Almacenamiento Electroquímico
Operación de BESS: SOC y DOD
Entre más frecuente sea el ciclado de la batería, menor la vida útil de las baterías
𝐷𝑂𝐷 = 100% − 𝑆𝑂𝐶 𝑓𝑖𝑛𝑎𝑙
Especificación del C-rate
La tasa de C/D (o C-rate en inglés) indica la potencia de carga y descarga de la batería. Por lo tanto es una medida de qué tan rápido entrega o consume energía.
C-rate Tiempo C/D
0.2 5 horas
0.5 2 horas
1.0 1 hora
2.0 30 min
5.0 12 min
0.2
0.5 1.0
2.0 5.0
C-rate
Ejemplo:
Un BESS de 300 MWh que entrega 75 MW a la red opera con un C-rate de 0,25.
Tensión de operación de celda (Ion de Litio)
cutoff C-rate de 0,2
𝑪𝒐𝒔𝒕𝒐 𝒕𝒐𝒕𝒂𝒍 $
𝑘𝑊ℎ = 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔í𝑎 $
𝑘𝑊ℎ + 𝐶𝑜𝑠𝑡𝑜 𝑝𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 $ 𝑘𝑊
1
𝐷𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛 (ℎ)
Costos baterías Ion de Litio de 4 h
Aplicaciones de BESS
Aplicaciones de AE
Control de P y Q independiente
Demanda Generación
Aplicaciones en Generación y Transmisión
- Aplanamiento curva de carga.
- Regulación de tensión.
- Regulación de frecuencia - Seguimiento de carga - Rampas de carga.
- Provisión de capacidad de pico.
Regulación de frecuencia
Ride-Through y Regulación de Tensión
Los generadores renovables y sistemas de almacenamiento deben permanecer conectados a la red en condiciones de falla para apoyar a la red (fault-ride through). Algunos países como Alemania y Dinamarca solicitan que se use el 100%
de la corriente para inyectar potencia reactiva en condiciones de tensiones muy bajas.
LVRT Inyección de corriente reactiva
- Reducción fluctuaciones de las ERV.
- Energía más firme.
- Rampas de generación
- Arbitraje de energía
- Carga batería con energía barata / descarga a precio más alto.
Aplicaciones en Generación y Transmisión
- Aplanamiento de curva de demanda y recorte de picos.
- Arbitraje de energía - Combinación con GD para maximizar uso.
Calidad de energía Microred y respaldos Aplazamiento inversiones
Aplicaciones en Distribución
Experiencias internacionales
Aplicaciones de BESS
20 MW/ 120 MWh NaS - UAE
Energía prom de BESS CAISO 2021
Ejemplo Simulaciones
Sim. de Baterías
Sistema de pruebas de 39 barras.
- 10 generadores síncronos
- Cargas dependen de V de operación - 1 batería en barra 5, inyecta P.
Los generadores sinc. no tienen sistema de regulación de frec.
Valores nominales 𝑆𝑛𝑜𝑚 = 500 𝑀𝑉𝐴
𝑃𝑚𝑎𝑥 = 400 MW y 𝑃𝑚𝑖𝑛 = −400 MW, 𝑄𝑚𝑎𝑥 = 300 𝑀𝑉𝐴𝑟 y 𝑄𝑚𝑖𝑛= −300 𝑀𝑉𝐴𝑟 Punto de operación de baterías:
𝑉 = 1.00 𝑝𝑢, 𝑃 = 200 𝑀𝑊 𝑦 𝑄 = 54.2 𝑀𝑉𝐴𝑅
−1 Τ
V y Q en Bus 5 ante salida de G30
G30 →250 MW fuera de operación
P en Bus 5 y f ante salida de G30
G30 →250 MW fuera de operación
P en Bus 5 y f ante salida de G30
G30 →250 MW fuera de operación
Retos sobre uso e integración de BESS
Retos técnicos
Mayores esfuerzos en I+D, estudios de costo-efectividad de su uso en nuestras redes y proyectos de prueba entender y aprovechar los beneficios y servicios de estas tecnologías.
Retos regulatorios y de política energética
Se deben crear nuevas políticas de integración y mecanismos de mercado para facilitar inversión privada en estas tecnologías.
Retos económicos/comerciales
El costo de la tecnología aún es alto y la vida útil de las baterías es corto. Falta definir los nuevos servicios que brindarán en nuestros países y su impacto en la evaluación financiera del proyecto.
Uso de BESS para apoyar la estabilidad y control de sistemas de potencia
Dr. Gustavo Valverde Mora
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Estabilidad y Control de Sistemas Modernos de Potencia
Modelado de líneas, trafos y cargas estáticas
Modelado y sim de máquina sincrónica
Modelado y sim de excitadores y AVRs
Modelado y sim de turbinas y gober.
Estabilidad de Sistemas de
Potencia Estabilidad de pequeña señal
Estabilidad transitoria
Estabilidad de tensión y frecuencia
Modelado y Simulación de
Baterías, PV y Eólicos
